Hóa chất lý tưởng cảm biến là các thiết bị di động, rẻ tiền và dễ sử dụng, phản ứng với độ chọn lọc lý tưởng và tức thời đối với một chất phân tích cụ thể trong bất kỳ môi trường ưu tiên nào để tạo ra tín hiệu đầu ra có thể đo được ở bất kỳ nồng độ chất phân tích cần thiết nào. Nói chung, các cảm biến này là thiết bị (hoặc) dụng cụ quyết định nồng độ, sự hiện diện có thể phát hiện được (hoặc) lượng chất phân tích. Độ phức tạp trong ứng dụng của cảm biến hóa học có liên quan đến độ phức tạp về mặt kỹ thuật liên quan đến các phép xác định này và tính chất cụ thể của vật liệu hóa học cần phân tích. Các khía cạnh về độ chọn lọc và độ nhạy của cảm biến hóa học có thể bị ảnh hưởng bởi các khía cạnh về chiều, pha và thời gian của phép xác định ưu tiên. Chất phân tích có thể ở dạng lỏng hoặc rắn ở các kích thước khác nhau, từ lít đến picolit. Bài viết này cung cấp thông tin ngắn gọn về một cảm biến hóa học , hoạt động và ứng dụng của nó.
Cảm biến hóa học là gì?
Cảm biến được sử dụng để đo và phát hiện lượng hóa chất trong chất phân tích (thành phần, sự tồn tại của một nguyên tố (hoặc) ion cụ thể, hoạt động hóa học, nồng độ) để chuyển nó thành dữ liệu điện tử được gọi là cảm biến hóa học. Những cảm biến này được sử dụng chủ yếu trong vô số ứng dụng bao gồm hệ thống phát hiện tại nhà, y tế, công nghệ nano và ô tô.
Cấu trúc cảm biến hóa học
Cấu trúc cảm biến hóa học được hiển thị dưới đây. Cảm biến này được chế tạo với hai thành phần quan trọng; thụ thể hoặc vật liệu cảm nhận và đầu dò. Vật liệu cảm biến tương tác với chất phân tích mục tiêu theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào loại cảm biến. Kết quả của sự tương tác này là sự biến đổi một tính chất vật chất như độ dẫn điện và khối lượng.
Thành phần tiếp theo của cảm biến này là đầu dò , chịu trách nhiệm lấy dữ liệu hóa học về sự tương tác giữa thụ thể và chất phân tích và chuyển nó thành tín hiệu điện tử. Sau đó, dữ liệu này được đưa đến máy tính (hoặc) một bộ phận cơ khí.
Cảm biến hóa học hoạt động dựa trên nguyên lý phản ứng điện hóa nhằm chuyển đổi thành phần & nồng độ các hợp chất hóa học hữu cơ & vô cơ thành tín hiệu điện.
Mạch cảm biến hóa học và hoạt động của nó
Mạch này mô tả cách hoạt động của cảm biến carbon monoxide. Cảm biến này có ba điện cực được ngâm trong chất điện phân lỏng. Ba điện cực này chủ yếu là điện cực làm việc, điện cực đếm và điện cực tham chiếu nhưng điện cực quan trọng nhất là điện cực làm việc. Điện cực này được làm bằng bạch kim, là kim loại xúc tác cho carbon monoxide được hỗ trợ bởi màng thấm khí mặc dù kỵ nước. Khí carbon monoxide khuếch tán qua màng xốp và bị oxy hóa điện hóa.
Các electron tham gia vào dòng phản ứng điện hóa từ điện cực tạo ra tín hiệu đầu ra của cảm biến. Điện cực tham chiếu cung cấp điện thế điện hóa ổn định trong chất điện phân. Điện cực này được bảo vệ đơn giản khỏi tiếp xúc với khí carbon monoxide, do đó, thế năng nhiệt động của nó luôn tương tự và duy trì ổn định. Ngoài ra, không cho phép dòng điện chạy qua điện cực tham chiếu. Một điện cực ngược được cung cấp để hoàn thiện mạch tế bào điện hóa.
Điện cực này chỉ hoạt động như nửa tế bào thứ hai và cho phép các electron đi vào hoặc ra khỏi chất điện phân. Mạch bên dưới điều khiển điện thế làm việc và thay đổi dòng tín hiệu thành điện áp được gọi là chiết áp. Dòng điện từ WE (điện cực làm việc) được thay đổi thành điện áp thông qua op-amp U2. Vì vậy mạch này duy trì điện áp làm việc ở điện thế phân cực (Vbias). Điện thế RE (điện cực tham chiếu) được so sánh với điện áp đầu vào không đổi (Vbias). Op-amp U1 trong mạch tạo ra điện áp ở CE (điện cực đếm) đủ để tạo ra dòng điện tương đương chính xác và ngược lại với dòng điện cực làm việc. Đồng thời, điện áp không đổi có thể được duy trì giữa điện cực làm việc và điện cực tham chiếu.
Cảm biến carbon monoxide cũng được trang bị bộ lọc chọn lọc hóa học giúp loại bỏ các khí có khả năng gây nhiễu trước khi chúng đến điện cực làm việc. Nếu bộ lọc chọn lọc hóa học hoạt động chính xác, cảm biến hóa học sẽ phản ứng ít hơn với các khí gây nhiễu. Công nghệ được giải thích ở trên có thể được sửa đổi để cung cấp các cảm biến phản ứng với các loại khí khác nhau. Vì vậy, điều này có thể được thực hiện bằng các điện cực làm việc khác nhau, các bộ lọc chọn lọc hóa học có điện thế thiên vị.
Các loại cảm biến hóa học
Có nhiều loại cảm biến hóa học khác nhau được thảo luận dưới đây.
Máy đo hơi thở
Máy đo nồng độ cồn trong hơi thở là một cảm biến hóa học dùng để ước tính BAC (nồng độ cồn trong máu) từ mẫu hơi thở. Bất cứ khi nào mọi người uống rượu, họ thở ra một lượng phân tử rượu tỷ lệ thuận với lượng họ uống. Vì vậy, cảm biến này được thiết kế đặc biệt để đo BAC của một người thường xuyên nhằm quyết định xem họ có đang lái xe an toàn hay không. Khi các phân tử rượu tương tác qua thụ thể, chúng sẽ gặp thêm một chất hóa học nữa được bao bọc trong thụ thể như axit sulfuric, bạc nitrat, nước và kali dicromat. Khi nhận ra sự khác biệt về mặt hóa học giữa hai buồng, tín hiệu điện có thể được tạo ra và biểu thị thông qua kim hoặc màn hình của nó.
Cảm biến carbon dioxide
Cảm biến carbon dioxide còn được gọi là cảm biến cảm biến CO2 dùng để đo khí CO2. Nguyên lý chung của cảm biến này là cảm biến khí hồng ngoại và cảm biến khí hóa học. Vì vậy, việc đo khí CO2 có ý nghĩa quan trọng trong việc quan sát chất lượng không khí trong nhà, chức năng của phổi ở dạng thiết bị capnograph & các lĩnh vực công nghiệp khác nhau.
Máy dò cacbon monoxit
Máy dò khí carbon monoxide là một thiết bị được sử dụng để cảm nhận sự hiện diện của khí CO để tránh ngộ độc khí carbon monoxide. Khí carbon monoxide là một loại khí không màu, không mùi và không vị được tạo ra bằng cách đốt cháy một phần vật liệu chứa carbon. Mức độ cao của loại khí này có thể rất nguy hiểm cho con người dựa trên số lượng hiện tại và thời gian tiếp xúc. Những máy dò này chủ yếu được thiết kế để đo mức CO cuối cùng và đưa ra cảnh báo trước khi mức CO nguy hiểm tích tụ trong môi trường xung quanh, cung cấp cho mọi người cảnh báo đầy đủ để làm sạch khu vực hoặc rời đi một cách an toàn.
Mũi điện tử
MỘT mũi điện tử hay mũi điện tử là một thiết bị dùng để phát hiện mùi vị hoặc mùi vị. Điều này có khả năng tái tạo giác quan của con người bằng mảng cảm biến & hệ thống nhận dạng mẫu. Vì vậy, các giai đoạn của quá trình nhận dạng có liên quan đến khứu giác của con người và được thực hiện để so sánh, nhận dạng, định lượng và các ứng dụng khác như; lưu trữ và truy xuất dữ liệu. Các giai đoạn của quá trình nhận dạng tương tự như khứu giác của con người và được thực hiện để nhận dạng, so sánh, định lượng và các ứng dụng khác, bao gồm lưu trữ và truy xuất dữ liệu.
Cảm biến thanh nano oxit kẽm
Cảm biến thanh nano oxit kẽm (cảm biến thanh nano ZnO) là một thiết bị quang học hoặc điện tử được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của các phân tử chất lỏng hoặc một số loại khí nhất định trong bầu khí quyển xung quanh. Cảm biến hóa học này sử dụng diện tích bề mặt nâng cao cho tất cả các vật liệu có kích thước nano như thanh nano ZnO. Sự hấp thụ phân tử trên thanh nano có thể được phát hiện thông qua sự khác biệt về đặc tính của thanh nano, như phát quang, tần số rung, độ dẫn điện, khối lượng, v.v. Phương pháp đơn giản và phổ biến nhất là cho dòng điện chạy qua thanh nano và theo dõi sự thay đổi của nó khi tiếp xúc với khí ga.
Cảm biến chiết áp
Cảm biến đo điện thế là một loại cảm biến hóa học dùng để tìm ra nồng độ phân tích của một số thành phần trong dung dịch khí (hoặc) chất phân tích. Cảm biến này đo điện thế của điện cực khi không có điện áp. Cảm biến này có nhiều lợi ích như tính đơn giản và tiết kiệm chi phí so với các thiết bị phân tích thông thường. Vì vậy, những cảm biến này có thể được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như thực phẩm, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, giám sát chất lượng thực phẩm, giám sát chất lượng nước, giám sát sức khỏe, giám sát môi trường, v.v.
Cảm biến hydro
Cảm biến hydro là một loại cảm biến; được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của khí hydro trong các lĩnh vực khác nhau. Những cảm biến này có chi phí thấp, bền, nhỏ gọn và rất đơn giản để bảo trì so với các cảm biến khí khác. Hydro là chất khí không màu, không vị và không mùi. Cảm biến này phải được sử dụng để phát hiện hàm lượng hydro trong môi trường và theo dõi rò rỉ khí. Cảm biến này được sử dụng trong máy dò khí hydro để phát hiện rò rỉ khí.
Cảm biến clorua huỳnh quang
Cảm biến clorua huỳnh quang là một loại cảm biến hóa học dùng để phân tích hóa học, đo sự vận chuyển clorua qua màng tế bào để điều chỉnh thể tích tế bào, cân bằng điện tích, tính dễ bị kích thích của màng và điện thế nghỉ. Chúng cũng được sử dụng chủ yếu để chẩn đoán bệnh xơ nang. Những khám phá về sự tham gia của clorua (Cl−) trong các quá trình sinh lý đã kích thích các phép đo Cl− nội bào trong tế bào sống và sự phát triển của các công cụ huỳnh quang.
Sự khác biệt B/W Cảm biến hóa học và cảm biến sinh học
Sự khác biệt giữa cảm biến hóa học và cảm biến sinh học bao gồm những điều sau.
| Cảm biến hóa học | Cảm biến sinh học |
| Một cảm biến hóa học là một máy phân tích. | MỘT cảm biến sinh học là một thiết bị phân tích, |
| Nó được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu hóa học thành tín hiệu điện. | Nó được sử dụng để phát hiện một chất hóa học hợp nhất một thành phần sinh học thông qua máy dò hóa lý. |
| Cảm biến này sử dụng một bộ tiếp nhận và một bộ chuyển đổi. | Cảm biến này sử dụng các thành phần sinh học và vật lý. |
| Cảm biến hóa học đo lường và mô tả các hợp chất hóa học. | Cảm biến sinh học đo lường và mô tả đặc tính của vật liệu hữu cơ. |
| Ví dụ về cảm biến hóa học là; máy đo hơi thở, cảm biến khí điện hóa và cảm biến carbon monoxide. | Ví dụ về cảm biến sinh học là; Thử thai & cảm biến theo dõi lượng đường trong máu. |
| Những cảm biến này được sử dụng trong giám sát môi trường, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp khai thác mỏ, phát hiện y tế, an toàn quốc phòng, kỹ thuật sinh học, v.v. | Cảm biến sinh học được sử dụng để theo dõi bệnh tật, phát hiện các chất ô nhiễm, phát hiện thuốc, vi sinh vật gây bệnh, v.v. |
Ưu điểm và nhược điểm
Những ưu điểm của cảm biến hóa học bao gồm những điều sau đây.
- Cảm biến hóa học cho phản ứng nhanh với các loại khí và hơi khác nhau.
- Đây là giá cả phải chăng.
- Cảm biến hóa học rất dễ sử dụng và di động
- Những thứ này không đắt tiền.
Những nhược điểm của cảm biến hóa học bao gồm những điều sau đây.
- Những cảm biến này hẹp (hoặc) phạm vi nhiệt độ của chúng bị hạn chế.
- Cảm biến này không thể đáp ứng tất cả các nhu cầu giám sát sinh thái.
- Nó có thời hạn sử dụng hạn chế.
Ứng dụng cảm biến hóa học
Các ứng dụng của cảm biến hóa học bao gồm những điều sau đây.
- Cảm biến hóa học có ứng dụng quan trọng trong phát hiện y tế, giám sát môi trường, công nghiệp thực phẩm, kỹ thuật sinh học, an toàn quốc phòng & công nghiệp khai thác mỏ.
- Các ứng dụng cảm biến hóa học chủ yếu bao gồm an toàn, chăm sóc quan trọng, vệ sinh công nghiệp, kiểm soát chất lượng sản phẩm, kiểm soát quy trình, v.v.
- Cảm biến này giúp đo và phát hiện chất lượng hóa học trong chất phân tích.
- Chúng được sử dụng trong y học, an ninh gia đình, ô nhiễm môi trường, v.v.
- Cảm biến hóa học được sử dụng trong nhiều ngành như; phân tích điện hóa, đo lường y sinh, giám sát ô nhiễm và kiểm soát công nghiệp.
- Những cảm biến này có nhiều ứng dụng khác nhau để theo dõi việc phát hiện ô nhiễm và chất gây ô nhiễm.
Vui lòng tham khảo phần này để biết thêm cảm biến hóa học và giao diện của chúng;
- Cảm biến khí metan MQ4.
- Cảm biến khí hydro MQ8.
Vì vậy, đây là một cái nhìn tổng quan về một hóa chất cảm biến, cấu trúc, hoạt động g, mạch điện, các loại, sự khác biệt, ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng. Những cảm biến này là thiết bị được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu hóa học thành tín hiệu phân tích. Ở đây, tín hiệu hóa học có thể được hình thành thông qua sự tương tác có chọn lọc giữa vật liệu cảm biến nằm trong cảm biến và chất phân tích mục tiêu. Ví dụ về cảm biến hóa học là; Máy dò carbon monoxide, máy dò Glucose, Muỗi, Que thử thai, v.v. Đây là một câu hỏi dành cho bạn, cảm biến sinh học là gì?
